Nghiên cứu chế tạo bia ảnh nhiệt thụ động phục vụ hiệu chỉnh và huấn luyện sử dụng kính ngắm ảnh nhiệt - Lê Ngọc Cường

Vật lý L. N. Cường, , T. Q. Tuấn, “Nghiên cứu chế tạo bia ảnh nhiệt kính ngắm ảnh nhiệt.” 124 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BIA ẢNH NHIỆT THỤ ĐỘNG PHỤC VỤ HIỆU CHỈNH VÀ HUẤN LUYỆN SỬ DỤNG KÍNH NGẮM ẢNH NHIỆT Lê Ngọc Cường*, Vũ Hữu Khánh, Lê Văn Hoàng, Trần Quốc Tuấn Tóm tắt: Một giải pháp chế tạo bia ảnh nhiệt với các thiết bị, vật tư sẵn có được đề xuất. Trên cơ sở tham khảo các mẫu bia ảnh nhiệt trên thế giới, kết hợp lí thuyết và thực nghiệm, mẫu phẩm bia ảnh nhiệt thụ động đã được nghiên cứu chế tạo. Các thông số kỹ thuật của các mẫu được xác định bằng thực nghiệm trên hiện trường và trong phòng thí nghiệm. Kết quả được bình luận và đưa ra hướng ứng dụng trong thực tế. Từ khóa: Quang điện tử; Ảnh nhiệt; Kính ngắm ảnh nhiệt; Bia ảnh nhiệt; Bia ảnh nhiệt thụ động. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Tác chiến hiện đại đòi hỏi khí tài quân sự có tính năng kỹ chiến thuật cao, đa chức năng, đặc biệt khí tài công nghệ cao. Hiện nay, các khí tài quân sự đã được phát triển và hiện đại hóa trong các miền quan trắc khác nhau từ nhìn thấy, hồng ngoại gần, đặc biệt là ảnh nhiệt. Những năm gần đây, một số một số khí tài ảnh nhiệt đã được nghiên cứu, trong quân đội, một số trong đó đã triển khai ứng dụng [1, 2, 3, 4]. Vấn đề đạt ra là nâng cao kỹ năng thao tác sử dụng các khí tài hiện đại này. Do vậy, công tác huấn luyện bộ đội sử dụng thành thục khí tài là rất cần thiết, đặc biệt khả năng nhận dạng, phân tích mục tiêu ảnh nhiệt, trên các nền nhiệt khác nhau thông qua thực tập trên các bia mẫu. Tuy nhiên, bia dùng cho mắt thường, tức là bia được quan sát trong vùng nhìn thấy không thể sử dụng cho khí tài ảnh nhiệt, mà đòi hỏi bia đặc chủng nhạy với vùng bức xạ nhiệt. Từ nhu cầu đó, hiện nay, một số loại bia ảnh nhiệt (BAN) đã được nghiên cứu, chế tạo và đưa vào sử dụng trong quân đội một số nước, tuy nhiên với giá thành cao và chưa phải là thương phẩm [5, 6]. Mặc dù BAN có tầm quan trọng như vậy, nhưng hiện nay, trong nước vẫn chưa có công trình nghiên cứu nào về lĩnh vực này. Công trình này trình bày công nghệ chế tạo bia ảnh nhiệt thụ động (BANTD) dựa trên khả năng phát xạ khác nhau của vật liệu. Từ các mẫu vật liệu phát xạ nhiệt, hệ số phát xạ đã được khảo sát và từ đó chế tạo mẫu BANTD. 2. CƠ SỞ LÝ THIUYẾT 2.1. Tổng quan về bia ảnh nhiệt Các khí tài ảnh nhiệt hoạt động dựa trên khả năng phát hiện mục tiêu của kính ngắm ảnh nhiệt (KNAN), do đó, BAN là loại bia chuyên dụng cho KNAN [5, 6]. Bia thông thường chỉ làm việc trong vùng phổ nhìn thấy (0,4 đến 0,7 µm), BAN làm việc trong vùng bức xạ nhiệt có bước sóng từ 7m đến 14 µm [7, 8, 9, 10, 11]. BAN được chia làm 02 loại với ưu nhược điểm khác nhau [12, 13, 14]: - Bia ảnh nhiệt chủ động (BANCĐ) hoạt động nhờ lượng bức xạ nhiệt được tạo ra do nguồn gia nhiệt cho bia (Hình 1). BANCĐ có ưu điểm: ảnh nhiệt của bia giống với hình ảnh thực tế của mục tiêu, rõ nét; có khả năng điều chỉnh mức nhiệt độ của bia tương ứng với nhiệt độ mục tiêu ở trạng thái nghỉ hay vận động. Tuy vậy, cần duy trì nguồn điện áp nuôi, do đó kết cấu phức tạp, cồng kềnh, giá thành cao và không phù hợp với điều kiện dã chiến. - BANTĐ hoạt động dựa vào khả năng phát xạ, hấp thụ, phản xạ bức xạ nhiệt của vật liệu ở nhiệt độ môi trường mà không sử dụng nguồn nuôi (Hình 2). Do phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường, nên khó phân biệt giữa bia và môi trường chung quanh, dẫn đến chất Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 125 lượng ảnh nhiệt của BANTĐ không rõ nét bằng BANCĐ. Tuy nhiên, nó có ưu điểm: Dễ sử dụng, vận chuyển, mang vác; giá thành rẻ và có khả năng hoạt động liên tục mà không lo hết pin/ đứt cáp/ mất kết nối; bền ngay cả khi dùng để bắn đạn thật; dễ sửa chữa.. Về lý thuyết, tính năng kỹ thuật của BANTĐ phụ thuộc vào độ tương phản của ảnh mục tiêu và nền. Độ tương phản (CE) của hai khối vật chất đặt sát nhau được xác định một cách tương đối [7, 8, 9, 12, 13]: CE = (E1 – E2)/ (E1 + E2) (1) trong đó: E1 và E2 lần lượt là độ trưng năng lượng của hai khối vật chất có thứ nguyên là [W/m2], được xác định như sau:   2 1 4 1,2 1,2( , ) ,E T T T d         (2) trong đó: )./(10.67,5 028 KmW là hằng số Stefan-Boltzmann. 1,2 ( , )T  là hệ số phát xạ của vật liệu tương ứng = 7 ÷ 14 µm. Từ (1) và (2), chúng ta thấy rằng, cần nâng cao hiệu quả của BANTĐ, thì các tham số: độ chênh lệch nhiệt độ, độ chênh hệ số phát xạ của vật liệu cần được nâng cao. Muốn vậy, cần phải có công nghệ chế tạo vật liệu nền, vật liệu ảnh mục tiêu đáp ứng các yêu cầu kĩ thuật trên. 2.2. Thực nghiệm và Kết quả 2.2.1. Phương pháp thực nghiệm - Thực nghiệm được tiến hành 03 bước:  Bước 1: Chế tạo 04 vật liệu có hệ số phát xạ bức xạ nhiệt chênh lệch lớn;  Bước 2: Đo kiểm đánh giá lựa chọn tổ hợp vật liệu tốt nhất (Thực nghiệm 01);  Bước 3: Tiến hành chế tạo BANTĐ dạng dấu ngắm và đánh giá kết quả trên thực địa tại cự li 100m (Thực nghiệm 02). - Dụng cụ, thiết bị đo:  Thiết bị đánh giá hệ số phát xạ của vật liệu là: Spectrum Two (Perkin Elmer/ Mỹ).  Thiết bị ảnh nhiệt được dùng để đánh giá chất lượng ảnh nhiệt của BAN là KNAN TV/S 75 của hãng LEMT, thông số kĩ thuật được trình bày trong Bảng 1 và Hình 3. Hình 2. Mẫu bia ảnh nhiệt thụ động (xe tăng) [6]. Hình 1. Mẫu bia ảnh nhiệt chủ động đa lớp (xe tăng), nguồn ắc-quy [5]. Vật lý L. N. Cường, , T. Q. Tuấn, “Nghiên cứu chế tạo bia ảnh nhiệt kính ngắm ảnh nhiệt.” 126 Bảng 1. Bảng thông số kỹ thuật chính [7]. Trường nhìn 7,2х5,5° Cự ly phát hiện, m 2500 / 3750 Cự ly nhận diện, m 850 / 1250 Dải phổ làm việc ( ), µm 814 Tiêu cự (f’), mm 75 Độ phóng đại, lần 3,6 Hình 3. Hàm MRTD của KNAN TV/S 75 xác định bằng thực nghiệm. Hàm MRTD của KNAN TV/S 75 được xác định bằng thực nghiệm trên tổ hợp kiểm tra thiết bị ảnh nhiệt DT-1500, tại phòng thí nghiệm quang điện tử, viện VLKT (Hình 3). Phương pháp thực hiện là xác định một số điểm cố định, sau đó sử dụng thuật toán nội suy để vẽ đường cong trơn tương ứng. Thông qua hàm MRTD, kích thước chi tiết dấu ngắm BANTĐ tương ứng với các cự ly 100m, 200m, 300m sẽ được tính toán, chế tạo cho phù hợp. 2.2.2. Vật liệu thí nghiệm Sử dụng 04 loại vật liệu (HT.01; HT.02; PX.01; PX.02) được chế tạo từ vải gia cường phủ thêm lớp nano nhôm, nhôm oxit (Al; Al2O3), pha thêm một số chất phụ gia khác với hàm lượng khác nhau (Hình 4). Các vật liệu PX.01, PX.02 được phủ lớp nano nhôm hàm lượng nhiều hơn sẽ có hệ số phản xạ cao hơn và hệ số phát xạ thấp hơn so với các vật liệu HT.01, HT.02 được phủ hàm lượng nano nhôm ít hơn. Hệ số phát xạ tỉ lệ thuận với hệ số hấp thụ và tỉ lệ nghịch với hệ số phản xạ. Hệ số phát xạ trung bình của 04 vật liệu trên tương ứng theo thứ tự giảm dần là: .01HT = 0,98 > .02HT = 0,85 > X.02P = 0,17> X.01P = 0,07. Các cặp vật liệu được sử dụng để chế tạo BANTĐ có kích thước, hình dạng phù hợp với các cự ly ngắm bắn (100m, 300m). Kết quả thực nghiệm giúp đối chiếu Hình 4. Hình ảnh 04 mẫu vật liệu dùng thực nghiệm. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 127 một cách định tính và lựa chọn tổ hợp vật liệu tốt nhất. 2.2.3. Tiến hành thực nghiệm Điều kiện tiến hành thực nghiệm: trời tối điều kiện thời tiết tốt, ít mây. Nhiệt độ môi trường Tmt = 291 oK; độ ẩm 70%. Thực nghiệm 01: Các tổ hợp vật liệu HT.01-PX.01; HT.01-PX.02; HT.02-PX.01; HT.02-PX.02 được sử dụng để làm BANTĐ. Các mẫu bia đa dạng kích thước to nhỏ khác nhau để đối chứng khả năng quan sát bia ở cự li 100m như Hình 5. Sử dụng nhận xét 01 để dự báo về chất lượng ảnh, tổ hợp vật liệu HT.01-PX.01 cho ảnh rõ nét nhất; tổ hợp HT.02-PX.02 cho ảnh kém rõ nét nhất. Hình 5. Ảnh nhiệt thu được từ thực nghiệm đối với các mẫu BANTĐ được xây dựng trên tổ hợp các loại vật liệu đo ở cự li 100m. Vật liệu nền trắng và hình đen trên bia theo thứ tự: (a) HT.01-PX.01; (b) HT.01-PX.02; (c) HT.02-PX.01; (d) HT.02-PX.02. Nhận xét 02: Thứ tự độ tương phản được định tính thông qua KNAN là phù hợp với tính toán định lượng. Ảnh tổ hợp vật liệu HT.01-PX.01 có độ tương phản tốt nhất (Hình 5 (a)), trong khi đó ảnh tổ hợp vật liệu HT.02-PX.02 có độ tương phản kém nhất (Hình 5 (d)). Điều này là phù hợp với dự báo và Nhận xét 01. Kết quả thực nghiệm khẳng định mức độ tương phản tỉ lệ thuận với độ chênh lệch hệ số phát xạ của cặp vật liệu được sử dụng, điều này là phù hợp với lí thuyết. Thực nghiệm 02: Trên cơ sở kết quả Thực nghiệm 01, tổ hợp vật liệu tốt nhất HT.01-PX.01 được sử dụng để chế thử mẫu bia có dạng dấu ngắm “+”. Kích thước dấu ngắm trên bia (a’ [mm]) được thiết kế dựa trên kết quả tính toán từ hàm MRTD của kính ngắm TV/S 75 và độ rộng vạch trên mia (a [mm]); với ống chuẩn trực DT-1500 có tiêu cự f’ = 1.5 m. Sử dụng công thức: ν =f' /2a [lp/mrad] – xét theo mia [14, 15, 16, 17, 18]; và ν =R/2a’ [lp/mrad] – xét theo bia [14, 15, 16, 17, 18] ta nhận được kết quả trong Bảng 2. (a) (c) (b) (d) Vật lý L. N. Cường, , T. Q. Tuấn, “Nghiên cứu chế tạo bia ảnh nhiệt kính ngắm ảnh nhiệt.” 128 Bảng 2. Độ rộng vạch dấu ngắm trên bia, theo cự li ngắm (KNAN TV/S 75). MRTD Độ rộng vạch (trên mia) Độ rộng vạch (a [mm]) (trên bia, theo cự li R) R=100m R=200m R=300m 2.1 0.42 28 56 84 Theo kết quả tính ở Bảng 2, kích thước các vạch dấu ngắm tối thiểu cho các cự ly 100, 200, 300 m lần lượt là 28, 56, 84 mm (đối với KNAN TV/S 75). Mẫu bia có kích thước 600x600mm với dấu ngắm “+”, chiều dày nét là 28mm có gắn thêm Bia số 4 theo tiêu chuẩn của cục quân huấn để so sánh đã được chế tạo như Hình 6 (a). Ảnh thu được trên KNAN TV/S 75 ở cự li 100m trình bày trên Hình 6 (b). Hình 6. Hình (a) Hình ảnh BANTĐ được chụp bằng máy ảnh thông thường. Hình (b). Ảnh của BANTĐ thu được trên KNAN cự li quan sát 100m. Rõ ràng, bia số 4 không thể quan sát được, trong khi đó chất lượng ảnh nhiệt của mẫu BANTĐ được quan sát qua KNAN là rõ nét, đáp ứng được yêu cầu ngắm bắn, đồng thời khẳng định kết quả tính toán Bảng 2 là phù hợp. Do đó, mẫu bia này hoàn toàn có thể ứng dụng vào công tác qui chính hiệu chỉnh và huấn luyện sử dụng KNAN. 3. KẾT LUẬN Nhóm tác giả đã nghiên cứu và chế tạo thành công mẫu BANTĐ với độ tương phản cỡ 80-90% (theo điều kiện phép đo được thực hiện). Kết quả nghiên cứu khẳng định khả năng chế tạo BANTĐ phục vụ công tác hiệu chỉnh và huấn luyện sử dụng KNAN. Tuy nhiên, thực nghiệm chế tạo BANTĐ mới dừng lại ở mức giới hạn một số vật liệu được đề xuất. Trong điều kiện có tổ hợp vật liệu tốt hơn có thể đạt hiệu quả cao hơn nữa. Ngoài ra, bề mặt lớp nano carbon chưa thực sự bền với điều kiện khắc nhiệt, dẫn tới tình trạng suy giảm hệ số phát xạ bức xạ nhiệt theo thời gian. Cần có những công trình khoa học nghiên cứu phát triển tiếp theo để nâng cao chất lượng vật liệu cũng như BANTĐ. Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn sự hợp tác giúp đỡ của các cán bộ phòng Khí tài quang, phòng Thiết kế Chế thử - viện VLKT; và viện Hóa Vật liệu - Viện KHCNQS. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Lê Ngọc Cường, Trần Quốc Tuấn. “Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị ảnh nhiệt quan sát tầm trung TBAN-IR120”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số Đặc san VLKT’13 (2013). a b Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 58, 12 - 2018 129 [2]. Lê Ngọc Cường, Trần Quốc Tuấn. “Đánh giá ảnh hưởng của sai số gia công lên chất lượng ảnh hệ quang vật kính thiết bị ảnh nhiệt TBAN-IR120”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số Đặc san VLKT’13 (2013). [3]. Lê Ngọc Cường, Trần Quốc Tuấn. “Xác định cự ly hoạt động của thiết bị ảnh nhiệt qua đo kiểm trong phòng thí nghiệm”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số Đặc san VLKT’13 (2013). [4]. Phạm Thanh Quang, Hoàng Anh Tú. “Tính toán lượng hiệu chỉnh để bù ảnh hưởng do thay đổi nhiệt độ lên chất lượng ảnh của hệ thống quang trong thiết bị ảnh nhiệt”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số Đặc san VLKT’13 (2013). [5]. Robert M. Davies. “Thermal target device”, US 4792142 A, patents (1988). [6]. Thermbright. “Thermal target catalogue”, MJ Services (GB) Ltd, England (2010). [7]. J. M. Lloyd. “Thermal imaging systems”, Plenum Press (1975). [8]. Paul W. Kruse. “Uncooled thermal imaging arrays, systems, and applications” , SPIE press, Washington, USA (2001). [9]. Daniels, Arnold. “Field guide to infrared systems, detectors, and FPAs / Arnold”, SPIE press, Washington, USA (2010). [10]. Krzysztof Chrzanowski. “Testing thermal imagers”, Military University of Technology, 00-908 Warsaw, Poland (2010). [11]. LEMT. “TV/S 75 thermal vision sight catalogue”, Minsk, Republic of Belarus (2014). [12]. William l. Wolle. “Infrared design examples”, SPIE press, Washington, USA (1999). [13]. Larry C. Andrews. “Field guide to atmospheric optics”, 2sd edition, SPIE press, Washington, USA (2007). [14]. William L. Wolf. “Handbook of military infrared technology”, Office of Naval Research Department of the Navy Washington, D.C (1965). [15]. Robert Siegel and John R. Howell Lewis. “Thermal heat transfer” Volume III, National Aeronautics and Space Administration, Washington, D.C (1971). [16]. William L. Wolfe, George J.Zissis, “The infrared handbook”, Office of Naval Research Department of the Navy Washington, D.C (1978). [17]. Fischer and Tadic-Galeb, “Optical system design”, McGraw-Hill (2000). [18]. Max Riedl, “Optical design fundamentals for infrared systems”, 2sd edition, SPIE press, Washington, USA (2001). ABSTRACT PASSIVE THERMAL TARGET FOR THERMAL CAMERA FOR THE USE IN CALIBRATING AND TRAINING One method for manufacturing thermal targets with available equipment and materials was provided. Base on thermal target samples, as well as the theory and experience of thermal image, several models of passive thermal target were made. Technical specifications were considered by measuring in laboratory and actual scene. Research results were evaluated and discussed for actual applications. Keywords: Electronic optics; Thermal imaging; Thermal sign; Thermal target; Passive thermal target. Nhận bài ngày 02 tháng 5 năm 2018 Hoàn thiện ngày 28 tháng 8 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 11 tháng 12 năm 2018 Địa chỉ: Viện VLKT, Viện KH&CNQS, 17 Hoàng Sâm, Nghĩa Đô, Cầu Giấy, Hà Nội. *Email: cuonglengoc1601@gmail.com.